Einführung in Betriebssysteme

Aufgabe 1. Welche Ressourcen sind zentral und aktiv aus der Sicht des Betriebssystems?

Aufgabe 2. Was ist der Unterschied zwischen System- und Anwenderprogrammen?

C Programmierung

Hinweise

Eine einfache Virtuelle Maschine in C

In dieser Übung soll ein erster Einstieg in die C Programmierung einer VM erfolgen (Warm-up).

Es gibt nur folgende Elemente:

• Nur Datentyp vorzeichenbehaftete Ganzzahl ⇒ int
• Nur Datenvariablen (keine Zeiger)
• Boolesche, Logische, und Arithmetische Rechenoperationen
• Enumeration und Typdefinition
• Präprozessormakros
• Eigene Funktionen, Main und printf Funktionen

Die VM ist hier noch sehr einfach, und diese Übung beschäftigt sich mit dem Instruktionsdekoder und de Instruktionsuasführung. Noch gibt es kein zusammenhängendes Programm, das die VM ausführt, sondern nur einzelne Instruktionsausführungen.

Instruktionsformat

Ein Instruktiosnwort besteht aus einem Operationscode und einem (optionalen) Operanden. Die Wortbreite ist 32 Bits.

    8              24         
┌―――――――――┬――――――――――――――――――┐
│ OpCode  │     Operand      │
└―――――――――┴――――――――――――――――――┘
31        23                 0

Register

Es gibt nur einen Akkumulator (Integer Datentyp). Alle Operationen arbeiten mit diesem einen Register.

Instruktionen

Es gibt nur 0- oder 1-Operanden Befehle.

• NOP: Keine Wirkung
• CONST: Lade den Akkumulator mit einem konstanten Wert
• ADD: Addiere Operanden zum Akkumulator (accu=accu+operand)
• SUB: Subtrahier Operanden vom Akkumulator (accu=accu-operand)
• MUL: Multipliziere Operanden mit Akkumulator (accu=accu*operand)
• DIV: Dividiere Akkumulator mit Operanden (accu=accu/operand)
• CMP: Vergleiche Akkumulator mit Operanden und schreibe Ergebnis in den Akkumulator (accu>operand:1, accu<operand:-1, accu==operand:0)
• OUT: Gebe Akkumulator auf dem Standardausgabekanal aus (printf)
• END: Beende Programmausführung (hier immer am Ende des Programmms)

Instruktions Dekoder und Enkoder

Die Instruktionen werden mit Präprozessormakros kodiert oder dekodiert:

#define DECODEOPCODE(word)       (word>>24) 
#define DECODEOPERAND(word)      (word&65535) 
#define ENCODE0(opcode)          (opcode<<24) 
#define ENCODE(opcode,operand)   (opcode<<24 | (operand&65535)) 

• Der Instruktionscode wird mit den ENCODEXX Macros erzeugt, und mittels der DECODEXX Makros wieder dekodiert. Die zu erstellende execute Funktion muss das kodierte Instruktionsword dekodieren, ggfs. den Operanden extrahieren, und die Instruktion ausführen.

Instruktionsausführung

• Eine VM besteht aus einer Instruktionsausführungsschleife die Instruktionen im Binärformat aus einem Programmspeicher bekommt und ausführt.
• Die Ausführung soll in der Funktion int execute(unsigned int word) geschehen, eine Ausführungsschleife gibt es hier noch nicht, sonder execute wird einzeln mit kodierten Instruktionen aufgerufen.
  • Die Funktion execute gibt einen Ganzzahlwert zurück der die nächste auszuführende "Adresse" zurück gibt. Hier ist das entweder 1 (nächste Instruktion) oder 0 (Ende).

Aufgabe 3. Implementiere die int execute(unsigned int word) Funktion und teste sie mit dem Programm: CONST 100 ; ADD 5 ; SUB 50 ; OUT ; END. Es muss der Wert 100+5-50 ausgegeben werden. Die execute Funktion besteht aus den drei Teilen: Dekodierung des Instruktionsopcodes, Ausführung der Instruktion in einer switch (opcode) { case NOP: .. break; usw. } Mehrfachauswahl. Bei Befehlen mit einem Operanden muss diese noch dekodiert werden. Alle Operationen laufen über den Akkumulator (s.o.), OUT gibt den Akkumulator aus (mit printf). Die Instruktionen werden durch sequenzielle Aufrufe von execute ausgeführt. Die Rückgabe muss geprüft werden und das Ende muss erkannt werden (bei Ende Rückkehr aus main mittels return 0).

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

Aufgabe 4. Erzeuge ein Programm was die Fakultät n! mit n=5 berechnet und das Ergebnis ausgibt. Nachdem n! berechnet und ausgegeben wurde soll das Ergebnis (im Akkumulator) mittels CMP(100) getestet werden und das Ergebnis (-1/0/1) ebenfalls ausgegeben werden. Ersetze dazu im obigen Template das erste Testprogramm mit diesem Programm.

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